2- mcs-51单片机的结构及原理

第二章： MCS-51系列单片机的结构及原理2.1 MCS-51单片机的主要性能和特点单片机的主要性能和特点2.2 MCS-51单片机单片机 内部方框图内部方框图2.3 MCS-51单片机的引脚定义单片机的引脚定义2.4 MCS-51单片机单片机 的的 存储器存储器 的配置的配置2.6 输入输出输入输出 端口端口2.5 震荡震荡 器、时钟电路和器、时钟电路和 CPU的时序的时序2.1 MCS-51单片机的主要性能v 内部程序存储器 ROM ( 以 89C51为例 )： 4K的存储容量；v 内部数据存储器 RAM： 256B(128B的 RAM+21B的 SFR) ；v 寄存器区： 设有 4个寄存器区，每一个区有 R0-R7八个工作寄存器；v 8位并行输入输出端口： P0、 P1、 P2和 P3；v 定时 /计数器： 2个 16位的定时 /计数器；v 串型口： 全双工的端口（ RXD： 接收端， TXD发送端） ；v 中断系统： 设有 5个中断源；v 系统扩展能力： 可外接 64K的 ROM 和 64K的 RAM；v 堆栈： 设在 RAM单元中，可以浮动既通过堆栈指针 SP来确定堆栈的位置v 布尔处理机： 配合布尔运算的指令进行各种逻辑运算；v 指令系统： 111条指令。按功能可分为数据传送、算术运算、逻辑运算、控制转移和布尔操作 5大类。2.2 MCS-51单片机内部方框图时钟电路 4KROM程序存储器256BRAM数据存储器2X16位定时 /计数器CPU处理器64KB总线扩展控制器可编程 I/O端口 P0-3可编程串行口微型计算机与单片机在硬件结构上的比较微型计算机 单片机数据 RAMCPU并行 I/O程序 ROM定时 /计数器串型端口中断控制器扩展 I/O端口系统总线（ DB、 AB、 CB）微型计算机的组成框图（由多个 IC芯片组装在一个主电路板上）MCS-51单片机所有单元都组装在一个 IC芯片上返回MCS-51系列芯片及制造工艺型号 片内 ROM 片内 RAM I/O口 线 备 注8031 无 128B+SFR 84 DIP 40脚8051 掩膜 4KB 128B+SFR 84 DIP 40脚8751 EPROM 4KB 128B+SFR 84 DIP 40脚89C51 FLASH 4KB 128B+SFR 84 DIP 40脚89C2051 FLASH 2KB 128B+SFR 15 简 化 DIP 20脚8XC552 8K 256B+SFR 86 增 强 多功能型返回2.3： MCS-51单片机的引脚定义MCS-51单片机有两种封装形式：单片机有两种封装形式：a.40脚的双列直插脚的双列直插 DIP封装；封装； b.44脚的脚的 PLCC。1.主电源引脚 :Vcc(+5V- 40脚 )和 Vss(GND 20脚 );2.外接晶体引脚： XTAL1（ 19脚）、 XTAL2（ 18脚）， 只要在这两脚之间接入一个晶体震荡器，单片机就可以以此晶体的频率开始工作。常用的晶体频率有 0-24M， 频率越高，单片机的工作速度就越快，但单片机的功耗就要增加。3.控制或与电源复用引脚： RST/Vpd、 ALE/PROG、 /PSEN和 VddRST/Vpd（ 9脚）： 在系统上电震荡器开始工作时， 在内部加在此引脚上有一个两个时钟周期的高电平使单片机复位。但为了使系统复位可靠，建议外加 一个上电复位电路，延长复位的时间。 当单片机掉点时，此引脚可以接入备用电源向单片机内部的 RAM供电，以防止 RAM中的数据丢失。 引脚图n 在复位状态下：所有 SFR的内容全变为 “0”，端口输出 “1”。 RAM内容不变。MCS-51RSTVccMCS-51RSTVcc1K10tVT延长上电复位时间的电路和 RST端上电电压曲线具有手动复位功能的复位电路RC87 46 352 1 VoVcc触发触发信号VoVc87 46 352 1 VoRSTVccP2.0VccP2.0VoV备用使用 555电路构成的掉电保护电路由 555构成的单稳态电路、波形 单稳态单路构成的掉电保护电路、波形掉电保护原理及过程n 电源监控电路对电源 VCC进行监控，当 VCC的电源开始下降时向单片机的 /INT0或 /INT1发一个中断申请信号。n 单片机收到中断信号 ,立即进入中断程序。在电源消失前： 1.迅速将一些重要的信息送 RAM保存；2.从 P2.0引脚输出负脉冲 ,触发单稳进行电源切换。n 外部单稳电路进入但稳态后，由于 VCC的消失，使电路无法对单稳电容充电，所以单稳电路一直处于 “ 休眠状态 ” 。n 当 VCC电源恢复后 ,VCC对电容充电，经 后脱离单稳态。电源监测电路/INT0 RSTMCS-51P2.0Vo Vdd 555触发输入 Vcc 备用电源ALE/PROG（ 30脚）： 以一个不变的频率（系统时钟 fosc/6 )周期性输出正脉。 当单片机使用外部存储器时，此信号可作为低八位地址的锁存信。 对于 EPROM型的单片机 ,此脚还是用于写程序时，输入编程脉冲。/PSEN（ 29脚）： 外部程序程序存储器的选通信号。当单片机使用外部程序存储器时，此脚在一个机器周期内产生两次负脉冲。注意，访问外部数据存储器时，此信号无效。/EA / Vdd （ 31脚）： 外部程序存储器的选择端控制端：当此脚加入 “ 1” 电平是，单片机使用内部的程序存储器；当 EA加入低电平时，系统只使用外部的程序存储器。但要特别注意：如果 EA=1既使用单片机内部的程序存储器时，如果程序计数器 PC的值超过 0FFFH时，单片机将自动转向外部程序存储器 1000H开始的单元。对于 EPROM型的单片机，此脚还是用于写程序时，加入21伏的编程电压。时序图引脚图4.并行输入输出端口引脚（ P0-P3）P0.0 - P0.7 P0端口线 (39-32脚 )： 输出能力最强的端口，可以带动 8个 TTL负载。驱动一个 MOS负载时，应接一个10K左右的上拉电阻。如果系统使用外接存储器时，该口还作为地址（低八位）总线和数据总线，注意在这种情况下，P0口就不能通用的 I/O端口。P2.0 - P2.7 P1端口线 (1 8脚 )： 负载能力为 4个 TTL负载。P2.0 P2.7 P2端口线 (21 28脚 )： 通用 I/O端口。除了做通用 I/O端口外，当系统使用外接存储器时，该口还作为地址（高八位）总线，在这种情况下， P0口就不能通用的 I/O端口。负载能力为 4个 TTL。引脚图n P3.0 P3.7 P3端口线 （ 10 17脚）：P3口除了做通用的 I/O端口外，同时它还有第二功能），负载能力为 4个 TTL。口线 定义 说明 口线 定义 说明P3.0 RXD 串行数据 输 入口 P3.4 T0 计 数器外部 输 入信号P3.1 TXD 串行数据 输 出口 P3.5 T1 计 数器外部 输 入信号P3.2 INT0 外部中断 输 入口 P3.6 / WR 外部数据存 储 器写信号P3.3 INT1 外部中断 输 入口 P3.7 / RD 外部数据存 储 器 读 信号P3口第二功能表引脚图MCS-51单片机外型图（ DIP封装） MCS-51单片机的逻辑符号图VCCRSTXTAL1P0口XTAL2/EA/PSENALEP1口P3口RXDTXD/INT0/INT1 P2口T0T1/WR/RDGND87C51EPROM型AT89C51ATMELFLASH型返回 返回上一次2.4 MCS-51单片机的存储器的配置2.4.0 MCS-51单片机单片机 的存储器的配置特点的存储器的配置特点MCS-51单片机片内、外单片机片内、外 程序程序 存储器的使用示意图存储器的使用示意图2.4.1 程序程序 存储器存储器 (片内与片外片内与片外 )2.4.2 内部数据内部数据 存储器存储器 RAMMCS-51 片内片内 、片外、片外 数据存储器数据存储器 示意图示意图MCS-51单片机片单片机片 内存储器内存储器 低低 128B 字节功能分配图字节功能分配图片内片内 RAM（ 20H-2FH） 中的位寻址区中的位寻址区 结构图结构图特殊功能寄存器特殊功能寄存器 SFR2.4.3 外部数据存储器外部数据存储器程序存储器六个特殊的程序存储器六个特殊的 单元单元2.4.0 MCS-51单片机的存储器的配置特点 (89C51)n 在 MCS-51单片机的内部集成了 4K的程序存储器和 256B的数据存储器，同时还可以使用片外的程序存储器和数据存储器，其扩展能力都是 64K。n 从物理结构的角度讲， 51单片机的存储系统可以分为四个存储空间：既片内 ROM， RAM和片外ROM、 RAM。n 从逻辑上讲（既用户编程的角度讲） 51单片机的存储系统又可分为三个存储空间。既片内 RAM，片外 RAM和片内、外的程序存储器 ROM。从物理结构上单片机系统的存储器结构图（四个部分）MCS-51单片机片内ROM4K片内RAM256B片外RAM64K片外ROM64K返回返回上一次2.4.1 程序存储器 (片内与片外 )l 程序存储器是用来存放编好的程序、常数和表格的。l 在 MCS-51单片机中，当引脚 EA=1时，系统使用片内的 4KROM来存储程序。 EA=0时，系统使用片外的 ROM。l 无论是使用片内还是使用片外的 ROM（ 既 EA=1或 EA=0）， 其起始地址都是从 0000H单元开始。l 如果 EA=1（使用片内的程序存储器时）：程序从 0000H开始执行。注意：在这种情况下， 如果程序计数器的指针 PC值超过 0FFFH（ 4K）时， 单片机就要自动的转向片外的 ROM存储器（尽管 EA=1），且从片外 ROM的 1000H单元开始执行程序。但单片机是无法使用片外 ROM的 0000H-0FFFH这 4K单元。返回MCS-51单片机片内、外程序存储器的使用示意图0FFFH0000H0FFFH0000HFFFFH1000HEA=1时， ROM的使用 EA=0时 ROM的使用片外程序存储器（最大 64K）单片机内部程序存储器（ 4K）返回程序存储器六个特殊的单元n 在程序存储器中， 有六个单元 是具有特定功能。编程者是不能随便使用的。0000H单元： 上电时，程序计数器 PC所指向的单元0003H单元： 外部中断 /INT0的入口地址；000BH单元 ： 定时器 T0的溢出中断入口地址；0013H单元： 外部中断 /INT1的入口地址；001BH单元： 定时器 T1的溢出中断入口地址；0023H单元： 串行口接收、传送的中断入口地址。返回2.4.2 内部数据存储器 RAMn 数据存储器无论在物理上还是逻辑上都分为两个地址空间，既一个内部和一个外部的数据存储空间。n 访问 内部数据存储单元 时，使用 MOV 指令；而访问 外部数据存储器 时，使用 MOVX 指令。n 内部数据存储器从功能上又将 256B空间分为二个不同的块： 1.低 128B的 RAM块；2.高 128B的 SFR (Special Function Register）块。n 在低 128B的 RAM存储单元中又可划分为： 工作寄存器区 、可位寻址区 、 通用存储数据的便签区 。n 高 128B的 专用寄存器区 中仅仅使用了 21寄存器（ 51系列），其它单元未定义不能使用。MCS-51 片内 、 片外 数据存储器示意图特殊功能寄存器SFR通用数据存储器80H7FH00HFFH片内数据存储器 片外数据存储器256B个字节 64KB个字节片外数据存储器64KB0000HFFFFH 注意：1.访问片内 RAM20H存储单元；MOV A,20H2.访问片外 RAM存储单元； MOV R0,#20hMOVX A,R03.尽管片内与片外的 RAM单元 的 00H-FFH地址相重叠但由于指令的不同不会发生地址混乱。片内 RAM低 128B 字节功能分配图位寻址区3区2区1区0区便笺区08H07H00H7FH30H2FH20H1FH18H17H10H0FH四个工作寄存器区每个区中有 R0-R7八个工作寄存器位寻址区16个单元 20H-2FH，共有 128 可寻址位个位。位地址： 00H-7FH注意：位地址与字节地址的区别通用的 RAM区地址： 30H-7FH继续返回上一次片内 RAM（ 20H-2FH） 中的位寻址区结构图7F 7E 7D 7C 7B 7A 79 7877 76 75 74 73 72 71 706F 6E 6D 6C 6B 6A 69 6867 66 65 64 63 62 61 605F 5E 5D 5C 5B 5A 59 5857 56 55 54 53 52 51 504F 4E 4D 4C 4B 4A 49 4847 46 45 44 43 42 41 403F 3E 3D 3C 3B 3A 39 3837 26 25 24 23 22 21 202F 2E 2D 2C 2B 2A 29 2827 26 25 24 23 22 21 201F 1E 1D 1C 1B 1A 19 1817 16 15 14 13 12 11 100F 0E 0D 0C 0B 0A 09 0807 06 05 04 03 02 01 002FH20H字节地址